Исследователи создали в электронном устройстве условия на «краю хаоса» — переходной точке между порядком и беспорядком, которая позволяет быстро передавать информацию.
Это позволило ученым усилить сигнал, передаваемый по проводу, без использования отдельного усилителя, преодолевая любые потери сигнала из-за электрического сопротивления. Такая линия передачи, имитирующая поведение сверхпроводников, может сделать будущие компьютерные чипы более простыми и эффективными, сообщила команда 11 сентября в журнале Nature.
Компьютерный чип, работающий на грани хаоса, звучит так, будто он может сломаться в любой момент. Но многие исследователи предполагают, что человеческий мозг работает по схожему принципу.
Рассмотрим нейрон, или нервную клетку. У каждого нейрона есть аксон, похожий на кабель отросток, который передает электрические сигналы соседним нейронам. Эти электрические сигналы помогают мозгу воспринимать окружающую обстановку и управлять телом.
Длина аксонов варьируется от 0,04 дюйма (1 миллиметра) до более чем 3 футов (1 метра). Передача электрического сигнала по проводу одинаковой длины приводит к потере сигнала, вызванной сопротивлением провода. Разработчики компьютерных чипов обходят эту проблему, вставляя усилители между более короткими проводами, чтобы усилить сигнал.
Но аксонам не нужны отдельные усилители — они сами себя усиливают и могут передавать электрические сигналы без особых потерь. Некоторые исследователи считают, что они существуют на грани хаоса, что позволяет им усиливать небольшие флуктуации электрических сигналов, не позволяя этим сигналам выйти из-под контроля.
В новом исследовании ученые имитировали это самоусиливающееся поведение в небиологической системе. Сначала они создали условия на грани хаоса на материале под названием кобальтит лантана (LaCoO3). Когда они подавали нужный ток на LaCoO3, небольшие колебания результирующего напряжения усиливались. Затем команда проверила условия на проволоке, соприкасающейся с листом LaCoO3.
Они поместили две проволоки диаметром 0,04 дюйма (1 мм) поверх LaCoO3 и использовали их для подачи того же тока на LaCoO3. Этот ток определял условия на границе хаоса. Затем они подали сигнал колебательного напряжения на один конец одного из проводов и измерили сигнал напряжения на другом конце провода. Исследователи увидели небольшое усиление этих колебаний напряжения.
Усиление такого сигнала требует дополнительной энергии. Ученые обнаружили, что эта энергия поступает из того же источника, который используется для поддержания границы хаоса, — приложенного тока. В большинстве электронных компонентов часть энергии от приложенного тока рассеивается в виде тепла. Но на краю хаоса часть энергии вместо этого усиливает сигнал.
Работа на границе хаоса напоминает сверхпроводимость, поскольку влияние сопротивления пренебрежимо мало. По словам авторов, новый метод может обеспечить поведение, подобное сверхпроводнику, при обычных температурах и давлениях, если эта технология будет использоваться для создания чипов в будущем.
Такой подход к управлению электрическими сигналами может иметь значительное влияние на разработку более эффективных и мощных компьютерных систем. В настоящее время большинство микропроцессоров и полупроводников подвержено потерям энергии, связанным с электрическим сопротивлением, что влияет на производительность и энергоэффективность устройств. Возможность обхода этих потерь с помощью технологий, эксплуатирующих границу хаоса, может открыть новую эпоху в электронике, где компьютерные системы станут более надежными и экономными.
Однако перед тем, как эта технология станет повсеместно используемой, необходимо преодолеть ряд вызовов. Во-первых, инженерам потребуется разработать методы точного контроля над состоянием «граница хаоса» в различных материалах и условиях. Даже небольшие отклонения от оптимальной точки могут привести к уменьшению эффективности усиления сигнала и повышенному энергопотреблению.
Кроме того, остается открытым вопрос о долговечности и устойчивости таких систем к внешним воздействиям. Как и биологические нейронные сети, эти электронные структуры должны быть способными адаптироваться к изменениям среды без потери функциональности. Это требует глубокого понимания физики процессов, протекающих на границе хаоса, а также разработки новых материалов и архитектур, способных выдерживать интенсивные нагрузки.
Несмотря на эти вызовы, перспектива создания чипов, работающих подобно человеческому мозгу и использующих потенциал хаоса, захватывает воображение исследователей по всему миру. Не исключено, что в обозримом будущем эти технологии найдут применение не только в вычислительных устройствах, но и в более широком спектре приложений, включая искусственный интеллект и робототехнику, где способность к самоорганизации и эффективности является ключевым фактором успеха.
